小型家用風(fēng)力發(fā)電機畢業(yè)設(shè)計.doc

1 摘要 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視 風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時下 的朝陽產(chǎn)業(yè) 本論文詳細(xì)闡明了小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案 對風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié) 構(gòu)和電能的變換及繼電控制電路做了深入的研究 本文提出的解決方案為 風(fēng)力發(fā)電機組帶動單相交流發(fā)電機 然后通過 AC DC AC 變 換為用戶需要的標(biāo)準(zhǔn)交流電 并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性 在系統(tǒng)中并入蓄電池組 通過 控制電路的監(jiān)控實現(xiàn)系統(tǒng)的控制 保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時可蓄能 在風(fēng)能不充足時亦可為 負(fù)載供電 系統(tǒng)的運行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換 本論文的重點在于繼點控制電路的設(shè)計 并對各種不同風(fēng)力情況下系統(tǒng)的運行狀況進(jìn) 行了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?最后電氣控制部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真 關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電機組 整流 逆變 繼電控制 2 目 錄 摘要 1 目 錄 2 引 言 4 第一章 緒論 4 1 1 風(fēng)力發(fā)電概述 5 1 1 1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 5 1 1 2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點 6 1 2 論文系統(tǒng)概述 6 第二章 風(fēng)力機原理及其結(jié)構(gòu) 8 2 1 風(fēng)力機的氣動原理 8 2 2 風(fēng)力機的主要部件 8 2 3 風(fēng)力機的功率 9 第三章 電氣設(shè)計部分 10 3 1 發(fā)電機 10 3 1 1 發(fā)電機結(jié)構(gòu) 工作原理及電路圖 10 3 1 2 勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理 11 3 2 整流部分 12 3 2 1 電路圖和工作原理 13 3 2 2 參數(shù)選擇 15 3 3 蓄電池 16 3 3 1 蓄電池的性能 16 3 3 2 充放電保護(hù)電路 17 圖 3 8 充放電保護(hù)電路 17 3 3 3 蓄電池組供電控制設(shè)計 18 3 4 逆變電路 18 3 4 1 逆變電路及其工作原理 18 3 4 2 IGBT 的驅(qū)動電路 19 結(jié) 論 22 參考文獻(xiàn) 23 3 致 謝 24 4 引 言 隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快 使得能源消耗逐漸增加 全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量 與日俱增 從而造成氣候異常 災(zāi)害增多 惡性疾病的多發(fā) 因此 能源和環(huán)境問題成為 當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題 由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題 使人 們認(rèn)識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要 可以說 對風(fēng) 力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計對我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的 理論和現(xiàn)實意義的 也是十分有必要的 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的 儲量極為豐富的可再生能源 它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源 如煤 石油 天然氣等不同 它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少 因此可以說是一種 取之不盡 用之不竭的能源 而礦物質(zhì)燃料儲量有限 正在日趨減少 況且其帶來的嚴(yán)重 的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們 因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注 1 1 風(fēng)力發(fā)電概述 1 1 1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 全球風(fēng)能資源極為豐富 技術(shù)上可以利用的資源總量估計約 53 106 億 kWh 年 作 為可再生的清潔能源 受到世界各國的高度重視 近 20 年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步 發(fā) 展速度驚人 而風(fēng)能售價也已能為電力用戶所承受 一些美國的電力公司提供給客戶的風(fēng) 電優(yōu)惠售價已達(dá)到 2 2 5 美分 kWh 此售價使得美國家庭有 25 的電力可以通過購買風(fēng)電 獲得 2004 年歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署了 風(fēng)力 12 關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界 電力總量的 12 的藍(lán)圖 的報告 風(fēng)力 12 的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能 源問題的不可或缺的重要力量 按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢 預(yù)計 2008 2012 年期間裝機容 量增長率為 20 以后到 2015 年期間為 15 2017 2020 年期間為 10 其推算的結(jié)果 2010 年風(fēng)電裝機 1 98 億 KW 風(fēng)電電量 0 43 104 億 kWh 2020 年風(fēng)電裝機 12 45 億 KW 風(fēng)電電量 3 05 104 億 kWh 占當(dāng)時世界總電消費量 25 58 104 億 kWh 的 11 9 世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點 1 風(fēng)電單機容量不斷擴大 風(fēng)電機組的技術(shù)沿著增大單機容量 提高轉(zhuǎn)換效率的方 5 向發(fā)展 風(fēng)機的單機容量已從 600KW 發(fā)展到 2000 5000KW 如德國在北海和易北河口已批 量安裝了單機 5000KW 的風(fēng)機 丹麥已批量建設(shè)了單機容量 2000 2200KW 的風(fēng)機 新的風(fēng)電 機組葉片設(shè)計和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料 有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計 能力和水平 另外 可變槳翼和雙饋電機的采用 使機組更能適應(yīng)風(fēng)速的變化 大大提高了 效率 最近 又發(fā)展了無齒風(fēng)機等 進(jìn)一步提高了安全性和效率 2 風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高 目前 主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家 全世 界風(fēng)電機組供應(yīng)商的前 10 位供應(yīng)了世界新增裝機容量的 90 以上的份額 集中度比較高 近來 GE 風(fēng)能 GE Wind Energy 德國 REpower REpower Systems AG 和三菱重工 MHI 的市場份額提高迅速 3 風(fēng)電電價快速下降 由于新技術(shù)的運用 風(fēng)電的電價呈快速下降趨勢 且日益接 近燃煤發(fā)電的成本 以美國為例 風(fēng)電機組的造價和發(fā)電成本正逐年降低 達(dá)到可與常規(guī) 發(fā)電設(shè)備不相上下的水平 有關(guān)專家預(yù)測 世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍 成本就下降 15 中國的風(fēng)能資源十分豐富 根據(jù)全國 900 多個氣象站的觀測資料進(jìn)行估計 中國陸地 風(fēng)能資源總儲量約 32 26 億 KW 其中可開發(fā)的風(fēng)能儲量為 2 53 億 KW 而海上的風(fēng)能儲量 有 7 5 億 KW 總計為 10 億 KW 我國的風(fēng)電開發(fā)起步較晚 大體分為三個階段 第一階段是 1986 1990 年我國并網(wǎng)風(fēng)電項目的探索和示范階段 其特點是項目規(guī)模小 單機容量小 最大單機 200KW 總裝機容量 4 2 千 KW 第二階段是 1991 1995 年示范項目取得成效并逐步推廣階段 共建 5 個風(fēng)電場 安裝 風(fēng)機 131 臺 裝機容量 3 3 萬 KW 最大單機 500KW 第三階段是 1996 年后擴大建設(shè)規(guī)模階段 其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大 發(fā)展 速度較快 平均年新增裝機容量 6 18 萬 KW 最大單機容量達(dá)到 1300KW 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴大 風(fēng)力發(fā)電機的功率在向大型化方向發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展 成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè) 1 1 2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電 而風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機械 風(fēng)輪是風(fēng) 電機組最主要的部件 由槳葉和輪轂組成 槳葉具有良好的動力外形 在氣流的作用下能 產(chǎn)生空氣動力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn) 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能 再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機 將機械 能轉(zhuǎn)化電能 然后在依據(jù)具體要求需要 通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者 6 直接為負(fù)載供電 3 風(fēng)力發(fā)電有如下特點 1 可再生 且清潔無污染 2 風(fēng)速隨時變化 風(fēng)電機組承受著十分惡劣的交變載荷 3 風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響 風(fēng)力發(fā)電的運行方式主要有兩種 一類是獨立運行的供電系統(tǒng) 即在電網(wǎng)未通達(dá)的地 區(qū) 用小型發(fā)電機組為蓄電池充電 再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電 另一類 是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源 與電網(wǎng)并聯(lián)運行 本論文討論的是前者 即獨立運行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案 1 2 論文系統(tǒng)概述 該獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 1 1 所示 圖 1 1 獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其具體運行狀況為 1 風(fēng)力吹動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動 2 風(fēng)力發(fā)電機組通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 該軸與發(fā)電機 相連 3 轉(zhuǎn)軸帶動單相交流發(fā)電機轉(zhuǎn)動 開始發(fā)電 此時發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定 的交流電 4 引出的單相交流電通過整流器變成穩(wěn)定的直流電 5 a 若風(fēng)能充足 直流電經(jīng)控制電路流向逆變器 并向蓄電池充電 b 若風(fēng)能不足 控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài) 6 直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電 此時即可實現(xiàn)為負(fù)載供電 7 第二章 風(fēng)力機原理及其結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機經(jīng)過多年的發(fā)展和演變 已經(jīng)有很多形式 但是歸納起來 可分為兩類 水 平軸風(fēng)力機 風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行 垂直軸風(fēng)力機 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或 氣流方向 本系統(tǒng)中采用的是水平軸風(fēng)力機 2 1 風(fēng)力機的氣動原理 風(fēng)力發(fā)電機組主要利用氣動升力的風(fēng)輪 氣動升力是由飛行器的機翼產(chǎn)生的一種力 如圖 2 1 圖 2 1 氣動升力圖 從圖可以看出 機翼翼型運動的氣流方向有所變化 在其上表面形成低壓區(qū) 在其下 表面形成高壓區(qū) 產(chǎn)生向上的合力 并垂直于氣流方向 在產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)生阻力 風(fēng)速也會有所下降 升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動 2 2 風(fēng)力機的主要部件 水平軸風(fēng)力機主要由風(fēng)輪 塔架 對風(fēng)裝置 齒輪箱組成 整 體結(jié)構(gòu)如圖 2 2 所示 1 風(fēng)輪 由 1 3 個葉片組成 這是吸收風(fēng)能的主要部件 當(dāng) 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時 葉片受到離心力和氣動力的作用 離心力對葉片是一 個拉力 而氣動力使葉片彎曲 當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機的設(shè)計風(fēng)速時 為防止葉片損壞 需對風(fēng)輪進(jìn)行控制 控制風(fēng)輪有三種方法 a 使 風(fēng)輪偏離主方向 b 改變?nèi)~片角度 利用擾流器 產(chǎn)生阻力 以降 低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 2 塔架 為了讓風(fēng)輪能在較高的風(fēng)速中運行 需要塔架把風(fēng) 輪支撐起來 這時塔架需要承受兩個主要的載荷 一個是風(fēng)力機的 重力 向下壓在塔架上 另一個是阻力 使 圖 2 2 風(fēng)力主要部結(jié)構(gòu)圖 8 塔架向風(fēng)的下游方向彎曲 選擇塔架時要必須考慮其成本 根據(jù)實際情況而定 3 對風(fēng)裝置 自然界的風(fēng)向及風(fēng)速一直變化 為了得到較高的風(fēng)能利用率 應(yīng)使 風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向為此需要對風(fēng)裝置 本論文只介紹小型風(fēng)力機的對風(fēng)裝置 如 圖 2 4 所示 利用尾舵控制對風(fēng) 由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn) 是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹來的方向 圖 2 4 對風(fēng)裝置 4 齒輪箱 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低 而且風(fēng)力的大小經(jīng)常變化著 這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定 所以 在帶動發(fā)電機之前 還必須附加一個齒輪箱 再加一個調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定 然后 在連接到發(fā)電機上 齒輪箱的主要作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機 通過齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速 在裝機是應(yīng)使其與輪轂相連 為了增加齒輪 箱的制動能力 在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現(xiàn)聯(lián)合制動 2 3 風(fēng)力機的功率 風(fēng)的動能和風(fēng)速的平方成正比 功率是力和速度的乘積 也可用于風(fēng)輪功率的計算 風(fēng)力與速度平方成正比 所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比 如果風(fēng)速增加一倍 風(fēng)的 功率便會增加 8 倍 風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下 2 1 3pPCAv 2 2 2R 式中 P 為輸出功率 為風(fēng)輪機的功率系數(shù) 為空氣密度 R 為風(fēng)輪半徑 v 為p 風(fēng)速 眾所周知 如果接近風(fēng)力機的空氣全部動能都被風(fēng)力機全部吸收 那么風(fēng)輪后的空氣 就不動了 然而空氣當(dāng)然不能完全停止 所以風(fēng)力機的效率總是小于 1 9 第三章 電氣設(shè)計部分 3 1 發(fā)電機 在本論文討論的獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 采用的是硅整流自勵單相交流發(fā)電機 3 1 1 發(fā)電機結(jié)構(gòu) 工作原理及電路圖 本論文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵磁功供電 并在蓄電池組合勵磁繞組之間串聯(lián)勵 磁調(diào)節(jié)器 其電路圖如圖 3 1 所示 發(fā)電機的定子由定子鐵心和 定子繞組組成 定子繞 組為單相 Y 型連接 放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi) 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯 轉(zhuǎn)子繞組 即勵磁繞組 和轉(zhuǎn)子軸組成 轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形 一般都用爪形磁極 轉(zhuǎn)子勵磁繞組的兩端接 到滑環(huán)上 通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連 從而獲得直流勵磁電流 圖 3 1 串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器 獨立運行的小型風(fēng)電機組的風(fēng)力機葉片多數(shù)是固定槳距的 當(dāng)風(fēng)力變化時風(fēng)力機轉(zhuǎn)速 隨之變化 與風(fēng)力機相連的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨之變化 因而發(fā)電機的出口電壓也會產(chǎn)生波 動 這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機勵磁電流的變化 并造成勵磁磁場的變化 這樣又造成發(fā)電機出口電壓的波動 這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機的出口電壓的波動范圍不斷 10 增加 顯而易見 如果電壓的波動得不到控制 在向負(fù)載供電的情況下 將會影響供電質(zhì) 量 甚至損壞用電設(shè)備 此外獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組 電壓的波動會導(dǎo) 致蓄電池組的過充電 從而降低蓄電池組的使用壽命 為了消除發(fā)電機輸出端電壓的波動 該硅整流交流發(fā)電機配有勵磁調(diào)節(jié)器 如圖所示 勵磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器 V1 電流繼電器 I1 逆流繼電器 I2 及其所控制的動斷觸電 V1 I1 和動合觸電 I2 以及電阻 R2 等組成 3 1 2 勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理 勵磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機能自動調(diào)節(jié)其勵磁電流 即勵磁磁通 的大小 來抵消 因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機端電壓的影響 當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低 發(fā)電機端電壓低于額定值時 電壓繼電器 V1 不動作 其動斷觸 點 V1 閉合 硅整流器輸出端電壓直接施加在勵磁繞組上 發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài) 當(dāng)風(fēng) 速加大 發(fā)電機轉(zhuǎn)速增高 發(fā)電機端電壓高于額定電壓時 動斷觸電 V1 斷開 勵磁回路中 被串入了電阻 R2 勵磁電流及磁通隨之減小 發(fā)電機輸出端電壓隨之下降 當(dāng)發(fā)電機電壓 降至額定值時 觸點 V1 重新閉合 發(fā)電機恢復(fù)到正常勵磁狀態(tài) 電壓繼電器工作時發(fā)電機 端電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3 2 所示 圖 3 2 發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系 風(fēng)力發(fā)電機組運行時 當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時 可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值 的狀況 如果不加以控制 使發(fā)電機過負(fù)荷運行 會對發(fā)電機的使用壽命有較大的影響 甚至損壞發(fā)電機的定子繞組 電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機過負(fù)荷運行 電流繼電 器 I1 的動斷觸點 I1 串接在發(fā)電機的勵磁回路中 發(fā)電機輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電 器的繞組 當(dāng)發(fā)電機的輸出電流低于額定值時 繼電器不工作 動斷觸點 I1 閉合 發(fā)電機 屬于正常勵磁狀態(tài) 當(dāng)發(fā)電機輸出電流高于額定值時 動斷觸點 I1 斷開 電阻 R2 被串入 勵磁回路 勵磁電流減小 從而降低了發(fā)電機輸出端的電壓 并減小了負(fù)載電流 電流繼 11 電器工作時 發(fā)電機負(fù)載電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3 3 所示 圖 3 3 發(fā)電機負(fù)載電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時 蓄電池組向發(fā)電機勵磁繞組送電 及蓄電池組由充電運 行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài) 這不僅會消耗蓄電池組所儲電能 還可能燒毀勵磁繞組 因此在勵 磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi) 還裝有逆流繼電器 I2 發(fā)電機正常工作時 逆流繼電器的電壓線圈及電 流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動合觸點 I2 閉合 當(dāng)風(fēng)速太低 發(fā)電機端電壓低于蓄電 池組電壓時 繼電器電流線圈瞬間流過反向電流 此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的 電流產(chǎn)生的磁場作用相反 而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機電壓下降也減小了 由其 產(chǎn)生的磁場也減弱了 故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱 是的 動合觸點 I2 斷開 從而斷開了蓄電池想發(fā)電機勵磁繞組送電的回路 采用勵磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機 與永磁發(fā)電機比較 其特點是能隨風(fēng)速變化自 動調(diào)節(jié)輸出端電壓 防止產(chǎn)生對蓄電池組過充電 延長蓄電池組的使用壽命 同時還實現(xiàn) 了對發(fā)電機的過負(fù)荷保護(hù) 但由于勵磁調(diào)節(jié)器的動斷 動合觸點動作頻繁 需對出頭材質(zhì) 及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚?而且用該交流發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電時 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該 轉(zhuǎn)速下的電壓時才能對蓄電池組充電 3 2 整流部分 由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性 交流發(fā)電機輸出的是不穩(wěn)定的交流電 頻率和幅值都 在不斷地變化 而用戶需要的是正常頻率 即 50HZ 的穩(wěn)定交流電 因此必須進(jìn)行 AC DC AC 變換 即先經(jīng)過整流變成直流電 之后在經(jīng)過你變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電 如 果電能足夠充足的話或者空載時還可以將多余的直流電儲存在蓄電池組內(nèi) 12 3 2 1 電路圖和工作原理 目前在所有的整流電路中采用最廣泛的是單相橋式全波整流電路 本系統(tǒng)亦采用了該 整流電路 單相橋式整流電路由 4 個二極管接成橋式電路 RL 為負(fù)載電阻 圖 5 1 1 所示為單 相橋式整流電路的畫法 圖 5 1 1 單相橋式整流電路 下面按圖 5 1 1 所示電路進(jìn)行分析 在 U2 的正半周 其極性為上 下 即 a 點 的點位高于 b 點時 D1 D3 導(dǎo)通 D2 D4 截止 電流由 a 經(jīng) D1 R1 D3 b 形成通路 如圖中實線箭頭所示 此時 電源電壓全部加在負(fù)載電阻 RL 上 得到一個半波電壓 D2 和 D4 則承受反向電壓 在 u2 的負(fù)半周 其極性與上述相反 即 b 點的電壓高于 a 點時 D2 D4 導(dǎo)通 D1 D3 截止 電流由 b 經(jīng) D2 RL D4 形成通路 如圖中虛線箭頭所示 同樣 在負(fù)載電 阻 RL 上也得到一個半波電壓 D1 和 D3 則承受反向電壓 有上述可見 盡管 u2 的方向是交變的 通過負(fù)載 RL 的電流 io 及其兩端電壓 uo 的方 向都不變 因此在負(fù)載上得到大小變化而方向不變的脈動直流電流和電壓 uo io 及二極 管承受的電壓 uD 的波形如圖 5 1 2 b d 所示 13 下面討論單相橋式整流電路的定量關(guān)系及元件選擇 負(fù)載上得到的脈動直流電壓 常用一個周期的平均值來說明它的大小 負(fù)載所得脈動 直流電壓的平均值是 2220 9 0sin1UtdUo 上式表示整流電壓平均值與整流變壓器二次側(cè)交流電壓有效值之間的關(guān)系 即整流電壓的 平均值是交流電壓有效值的 0 9 倍 圖 5 1 2 單相橋式整流電路電壓與電流的波形 負(fù)載電流的平均值是 14 LOLOoRUI9 0 每個周期中 D1 D3 串聯(lián)與 D2 D4 串聯(lián)各輪流導(dǎo)電半周 所以每個二極管中流出的 平均電流只有負(fù)載電流的一半 如圖 5 1 2 c 所示 即 LODRUI245 01 由圖 5 1 2 d 可以看出 二極管截止時承受的最高反向電壓就是變壓器二次側(cè)交 流電壓 u2 的最大值 U2m 即 22UMDR ID 和 UDRM 是選擇整流二極管的主要依據(jù) 通過變壓器二次繞組的電流具有正 反兩個方向 是一個正弦波形 因此二次繞組的 電流有效值為 OLIRUI1 2 目前已有各種規(guī)格的橋式整流電路成品 如 1CQ1A H 至 1CQ7A H 系列 輸出的平均 電壓 25 600V 整流電流 50mA 5A 使用十分方便 3 2 2 參數(shù)選擇 由于風(fēng)力發(fā)電機組的輸出電壓與輸出電流是會隨著風(fēng)速的波動而發(fā)生很大變化的 如 果整流管的參數(shù)選擇不當(dāng) 將使元件遭到破壞 整流管的參數(shù)應(yīng)根據(jù)其在電路中可能承受的最大正 反向峰值電壓和流過的最大工作 電流來選擇 假設(shè) 100W 風(fēng)力發(fā)電機組的輸出電壓經(jīng)過整流后 負(fù)荷的額定直流電壓 Uz0 24V 帶負(fù)荷運行時的最高電壓 最大負(fù)載電流 依式 4 1 所28zmUV 0 6zIA 示計算出 元件承受的最大正 反向峰值電壓為 1 05 289 4 mz V 元件流過的最大電流為 0 87 4 67 mzIIA 由上式計算結(jié)果 可選擇最大電流 5A 最大反向電壓 50V 的硅二極管 15 在整流回路中 經(jīng)常會出現(xiàn)操作過電壓獲換向過電壓 為了防止過電壓破壞元件 通 常在整流回路的直流側(cè)接入阻容過電壓保護(hù) 電阻 R 和電容 C 的值可參照式 4 3 所示方法 估算 即 105 zUI 27 CuF 式中 為輸出的整流電壓 V 為輸出的整流電流 A P 為風(fēng)力發(fā)電機輸出功1zU0zI 率 VA 為整流器入口交流線電壓 V 2 3 3 蓄電池 在獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置 蓄電池組的作 用是當(dāng)風(fēng)力較強或用電負(fù)荷減小時 可以將來自風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在 蓄電池中 也就是向蓄電池充電 當(dāng)風(fēng)力較弱 無風(fēng)或者用電負(fù)荷增大時 儲存在蓄電池 中的電能向負(fù)荷供電 以彌補風(fēng)力發(fā)電的不足 達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的目的 本 系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池 3 3 1 蓄電池的性能 單格鉛蓄電池的電動勢約為 2V 將多個單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組 可獲得不同的 蓄電池組電動勢 本論文采用 12 節(jié)鉛蓄電池串聯(lián) 組成 24V 的蓄電池組 當(dāng)外電路閉合時 蓄電池組正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池組的端電壓 蓄電池組在充電和放電的過程中 端電壓是不相等的 充電時端電壓高于電動勢 放電時端電壓低于其電動勢 這是由于蓄 電池組存在內(nèi)阻的原因所致 蓄電池的容量以 Ah 表示 其端電壓隨著放電而逐漸降低 且蓄電池組存在最佳充放 電電流 其具體參數(shù)將在實際應(yīng)用中再做具體分析 蓄電池經(jīng)過多次充放電后 其容量會降低 當(dāng)蓄電池的容量敬愛那個地道其額定值的 80 以下時 就再不能使用了 也就是說蓄電池有一定的使用壽命 影響其壽命的原因有很 多 如充放電過度 蓄電池的電解液濃度太大或者純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會 是蓄電池的性能變壞 降低蓄電池的使用壽命 16 蓄電池的充放電電壓不僅直接影響蓄電池性能 也會影響用電器的壽命與安全 圖 3 6 3 7 分別是蓄電池典型的充放電曲線 圖中縱坐標(biāo)為蓄電池充 放電端電壓 曲線 標(biāo)號數(shù)字為相應(yīng)小時的充 放電曲線 圖 3 6 蓄電池充電曲線 圖 3 7 蓄電池放電曲線 從蓄電池充放電曲線可見 如果充電電壓過高 將會嚴(yán)重?fù)p壞用戶的電器 若放電 電壓過低 放電電流太大或放電時間過長 不僅影響到用戶電器的正常使用 而且會縮短 蓄電池的使用壽命 充放電控制器可防止蓄電池的過充與過放 3 3 2 充放電保護(hù)電路 該控制器由電壓繼電器 V2 V3 和它們所控制的動開觸點 V2 動合觸點 V3 構(gòu)成 其電 路如圖 3 8 所示 下面以本論文 24V 額定電壓為例 負(fù)荷最高充電電壓限制在 28 29V 最 低放電電壓控制在 21 22V 圖 3 8 充放電保護(hù)電路 充電時 當(dāng)蓄電池電壓低于 29V 時 繼電器 V2 不工作 觸點 V2 閉合 保持充電狀態(tài) 當(dāng)該電壓高于 29V 時 繼電器 V2 開始工作 繼而控制動斷觸點 V2 斷開 切斷充電電路 放電時 當(dāng)蓄電池電壓高于 21V 時 繼電器 V3 工作 其控制的動合觸點 V3 閉合 保 持放電狀態(tài) 當(dāng)該電壓低于 21V 時 繼電器 V3 停止工作 其控制的動合觸點 V3 斷開 從 17 而斷開了放電電路 3 3 3 蓄電池組供電控制設(shè)計 控制電路如下圖 3 9 所示 在整流輸出端引出兩線 與逆變器相接 為負(fù)載供電 其 通斷狀態(tài)用動合觸點 I2 控制 并且在蓄電池組的輸出端引出兩線亦與逆變器相接 作為風(fēng) 能不足時負(fù)載的供電電路 其通斷狀態(tài)用動開觸點 I2 控制 圖 3 9 蓄電池組供電控制電路 當(dāng)風(fēng)力充足 發(fā)電機正常工作時 逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn) 生的磁力使動合觸點 I2 閉合 風(fēng)電向負(fù)載供電 同時向蓄電池充電 當(dāng)風(fēng)力不足 發(fā)電機 轉(zhuǎn)速太低時 逆流繼電器產(chǎn)生的磁力消失 此時動開觸點 I2 閉合 同時動合觸點 I2 斷開 此時即切換成蓄電池組向負(fù)載供電 3 4 逆變電路 獨立運行的異步風(fēng)力發(fā)電動機組輸出 有是不穩(wěn)定的交流電 必須用蓄電池儲能 才能向用戶提供連續(xù)平穩(wěn)的電能 但絕大多數(shù)用電器 如日光燈 電視機 電冰箱 電風(fēng) 扇和絕大多數(shù)動力機械等都是以交流電工作 因此 在獨立運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需 要將直流電再變換成交流電 這種變換過程叫逆變 具有逆變功能的電力電子設(shè)備稱為逆 變器 逆變器還具有自動穩(wěn)壓功能 可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量 3 4 1 逆變電路及其工作原理 其電路原理圖如下所示 18 a b 圖 1 4 43 單相橋式逆變電路原理 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆向過程 是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷 作用來實現(xiàn)的 最基本的逆變電路是單相橋式逆變電路 它可以很好的說明逆變電路的工作原理 其電 路結(jié)構(gòu)如圖 1 4 43 a 所示 圖中 Ud 為輸入直流電壓 Uo 為輸出交流電壓 R 為逆變器的輸出負(fù)載 當(dāng)開關(guān)管 T1 T4 閉合 T2 T3 斷開時 逆變器輸出電壓 Uo Ud 當(dāng)開關(guān)管 T1 T4 斷開 T2 T3 閉 合時 輸出電壓 Uo Ud 當(dāng)以頻率 Fs 交替切換開關(guān)管 T1 T4 和 T2 T3 時 則在電阻 R 上獲得如圖 1 4 43 b 所示的交變電壓波形 其周期 Ts 1 fs 這樣 就將滯留電壓 Ud 編程了交流電壓 Uo Uo 含有各次諧波 如果想得到正玄波電壓 則可通過濾波器獲得 圖 1 4 43 a 中煮點錄音開關(guān) T1 T4 世紀(jì)是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型 逆 變電路中常用開關(guān)器件有快速晶閘管 可關(guān)斷晶閘管 GTO 功率晶體管 GTR 功率場效 應(yīng)晶體管 MOSFET 絕緣柵晶體管 IGBT 3 4 2 IGBT 的驅(qū)動電路 驅(qū)動電路是主電路與控制電路之間的接口 是該逆變裝置的重要環(huán)節(jié) 對整個裝置的 性能有很大影響 采用性能良好的驅(qū)動電路 可使電力電子器件工作在較理想的狀態(tài) 縮 短開關(guān)時間 減少開關(guān)損耗 對裝置的運行效率 可靠性和安全性都有重要的意義 19 簡言之 驅(qū)動電路的基本任務(wù) 就是按照控制目標(biāo)的要求 將單片機輸出的脈沖進(jìn)行 功率放大 轉(zhuǎn)換為加在 IGBT 控制端和公共端之間 可以使其開通或關(guān)斷的信號 從而驅(qū)動 IGBT 保證其可靠工作 對 IGBT 驅(qū)動電路的基本要求如下 1 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?使 IGBT 可靠的開通和關(guān)斷 2 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流 使 IGBT 能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通 3 盡可能小的輸入輸出延遲時間 以提高工作效率 4 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能 使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣 5 具有靈敏的過流保護(hù)能力 目前 在 IGBT 的柵極驅(qū)動電路中廣泛采用的是 EX840 EX841 集成電路 其典型接線方法如圖 3 13 圖 3 12 EX840 EX841 集成電路接線方法 使用時注意如下幾點 1 IGBT 柵 射極驅(qū)動回路往返接線不能太長 一般應(yīng)該小于 1m 并且應(yīng)該采 用雙絞線接法 防止干擾 2 由于 IGBT 集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖 增加 IGBT 柵極串聯(lián)電阻 RG 有利 于其安全工作 但是柵極電阻 RG 不能太大也不能太小 如果 RG 增大 則開通關(guān)斷時間 延長 使得開通能耗增加 相反 如果 RG 太小 則使得 di dt 增加 容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通 3 圖中電容 C 用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化 并不是電源的 供電濾波電容 一般取值為 47 F 4 6 腳過電流保護(hù)取樣信號連接端 通過快恢復(fù)二極管接 IGBT 集電極 5 14 15 接驅(qū)動信號 一般 14 腳接脈沖形成部分的地 15 腳接輸入信號的正 端 15 端的輸入電流一般應(yīng)該小于 20mA 故在 15 腳前加限流電阻 6 為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通 在柵射極加穩(wěn)壓二極管 20 結(jié) 論 本論文研究了小型獨立運行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其運行狀況 提出了系統(tǒng)構(gòu)成的具 體解決方案 論文的重點在于電氣設(shè)計部分 因此作者對電氣設(shè)計各部分進(jìn)行了具體的論 證分析 用 OMRON 編程軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了邏輯電路的設(shè)計及仿真 證明電路的邏輯性正確 無誤 做到了按照作者的設(shè)計要求切換電路 然后用 MATLAB 對整個實際電路進(jìn)行了詳細(xì)的 仿真 結(jié)果表明 在接入仿真三相交流電的情況下 各個輸出端的輸出達(dá)到了預(yù)期的要求 證明了方案的切實可行和正確無誤 將該電氣設(shè)計接入風(fēng)機組和逆變電路之間 即可實現(xiàn) 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)戶用型 50HZ 交流電 本系統(tǒng)采用繼電控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)在完全的自動化 無需人工控制 方便易行 可用 于電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用電力供應(yīng) 21 參考文獻(xiàn) 1 吳治堅 新能源和可再生能源的利用 M 北京 機械工業(yè)出版社 2006 256 289 2 王浩民 中國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展研究報告 M 北京 水里水電出版社 2009 24 51 3 法 勒古里雷斯著 施鵬飛譯 風(fēng)力機的理論與設(shè)計 M 北京 機械工業(yè)出版社 1987 356 384 4 姚興佳 宋俊 風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用 M 北京 機械工業(yè)出版社 2009 56 67 5 秦建國 劉偉 小型風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制研究 J 內(nèi)蒙古 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué) 院 2009 8 6 王承煦 張源 中國電力百科全書 M 北京 中國電力出版社 2001 221 235 7 彭鴻才 電機原理及拖動 M 北京 機械工業(yè)出版社 1996 61 85 8 王兆安 黃俊 電力電子技術(shù) M 北京 機械工業(yè)出版社 2008 75 116 9 魏偉 電氣技術(shù) J 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 2008 12 10 王大鵬 吳璟嵐 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)測試技術(shù) M 北京 中國電力出版社 2006 15 51 11 曲學(xué)基 曲敬凱 于明揚 逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2007 195 221 22